Tuulen ennustaminen by P.Takala

Tuulen ennustaminen by P.Takala

Internet tarjoaa paljon erilaisia sääkarttoja, joista kuka tahansa voi laatia itselleen omat sääennusteensa. Tämän jutun tarkoitus on auttaa sinua laatiman ensimmäinen oma tuuliennuste. Pian huomaat, että tuulen ennustaminen on osa surffausta.

Lähdetään liikkeelle perusasioista, eli mitä tuuli on? Ajatellaan vaikka täyteen puhallettua rantapalloa. Otetaan terävä piikki ja painetaan sillä palloon reikä. Syntyy tuuli, joka on hyvin paikallinen. Tuulen synnyttää paine-ero pallon sisä- ja ulkopuolen välillä. Tuuli puhaltaa korkeammasta paineesta matalampaan paineeseen päin. Näin kävisi myös maapallon suuren mittakaavan virtauksissa, jos maapallo ei pyörisi. Mutta se pyörii! Tämän takia meillä pohjoisella pallonpuoliskolla tuuli kiertää matalapaineita vastapäivään ja korkeapaineita myötäpäivään. Kuitenkin niin että tuuli on vähän kääntyneenä puhaltamaan korkeammasta paineesta matalampaan paineeseen päin (kuva 1).

Kuva 1 - Tuulen kääntyminen

Ajattelemalla puhkottua rantapalloa ymmärrämme, että tuuli vähitellen heikkenee pallon tyhjentyessä. Kun paine pallon sisällä ja ulkopuolella on sama, tuuli tyyntyy kokonaan. Selvästikin mitä suurempi paine-ero on sitä voimakkaampi on myös tuuli. Tämä pätee suoraan myös maapallon suurimittaisiin virtauksiin. Tätä niin sanottua paine-erosta johtuvaa perusvirtausta pystytään myös laskemaan varsin yksinkertaisesti tavallisesta sääkartasta. Näitä sääkarttoja netti on lähes pullollaan.

Tuulen nopeus

Sääkartoissa, tai paremminkin painekartoissa on paineen saman arvon käyriä ns. isobaareja. Mitä lähempänä nämä viivat ovat toisiaan sitä suurempi on paine-ero ns. painegradientti. Mitä suurempi paine-ero on sitä voimakkaampi on tuuli. Analogia on sama kuin suunnistuskartassa, jossa on piirretty korkeuden saman arvon käyrät. Mitä lähempänä viivat ovat toisiaan, sitä jyrkempi on kuopan tai kukkulan seinämä. Missä pallo suunnistus kartassa kierii nopeimmin siellä painekartassa tuuli on voimakkainta.

Mittaamalla painekartasta kahden viivan välinen etäisyys, voidaan perusvirtaus laskea yksinkertaisella kaavalla (kaavat A) seuraavasti:

  1. Tee sääkartalle mittakaava. Suomen pituus on riittävällä tarkkuudella 1100 km.
  2. Mittaa kahden viivan välinen etäisyys painekartasta ja muuta se mittakaavan avulla km:ksi (voit käyttää myös verrantoa, jos vielä peruskoulusta muistat)
  3. Sijoita se kaavaan A1 muuttujan E paikalle => tulos tulee m/s. Mikäli hyvin kylmää ilmaa virtaa lämpimälle merelle tai voimakas rintama on lähestymässä voit käyttää kaavaa A2. Nämä kaavat on tehty Suomen leveyspiirille ja karttoihin jossa painekäyrät on piirretty 5mb:n välein.

Mitä lähempänä päiväntasaajaa ollaan sitä voimakkaampaa tuuli on samalla paine-erolla ja yleinen kaava on muotoa A3, missä θ (theta) tarkoittaa leveyspiiriä johon tuulta halutaan laskea (kaava vastaa voimakkaampaa tilannetta). On syytä korostaa, että kaava kuvaa hyvin yleistä perusvirtauksen nopeutta, mutta se ei huomioi merituulta eikä mitään paikallisia tuulen voimistumisia tai heikkenemistä esimerkiksi saariston suojaa.

Netistä saa myös tarkempia karttoja , joissa painekäyrät on piirretty 2 mb:n välein. Tällöin kaavat ovat vastaavasti muotoa (kaavat B1,2,3). Kesällä matalapaineet ja muut sääilmiöt ovat syksyyn ja talveen verrattuna usein selvästi heikompia ja reippaammat tuulet lyhytaikaisempia ja pienialaisempia. Tähän nämä tarkemmat kartat ovat parempia, mutta toisaalta usein tarkkuus on myös näennäistä.

Aina ei ole välttämätöntä laskea varsinaista tuulen nopeutta. Nopeasti kehittyy silmä, joka osaa arvioida onko keliä luvassa. Hyvä karkea muistisääntö on: Jos isobaarien välinen etäisyys (5mb) on luokkaa 200 km, tuulta on 10 m/s tai vähän yli. Jos isobaarien välinen etäisyys on luokkaa 100 km on luvassa myrskyä.

Tuulen suunta

Tuulen suunta saadaan paineen saman arvon käyrien eli isobaarien suunnasta. Karkeasti sanottuna siis matalapaineen pohjoispuolella tuuli on idän puoleista ja eteläpuolella lännen puoleista. Matalapaineen itäpuolella tuuli puhaltaa etelän puolelta ja matalan länsipuolella pohjoisen puolelta (kuva 1). Korkeapainetta tuuli kiertää sitten myötäpäivään eli korkeapaineen pohjoispuolella tuulee lännenpuolelta jne. ajatellaan analogiaa suunnistuskarttaan. Tuuli siis ei liikukaan sinne minne pallo vierii, vaan se liikkuukin kuopanlaidalla vastapäivään, pysyen koko ajan samalla korkeudella. Tai mäen rinteellä, se kiertäisi mäkeä myötäpäivää pysyen koko ajan samalla korkeudella (vähän kärjistystä, asian hahmottamisen helpottamiseksi). Todellisuudessa tuuli ei kuitenkaan ole tasan isobaarien suuntaista, vaan se on 15-40 astetta kääntyneenä isobaarien poikki kohti matalampaa painetta. Hyvin kylmän ilman virratessa lämpimälle merelle saattaa tuuli kuitenkin olla aivan isobaarien suuntaista. Täytyy vielä todeta, jos mäen rinne olisi hyvin pitkä, nähtäisiin kuinka pallokin todellisuudessa kiertäisi lievästi myötäpäivään mäkeä alas. Sillä maapallo pyörii!

Matalapaineet ja niiden synty

Mikä matalapaine sitten on? Se on ilmakehään syntynyt pyörre, joka yrittää tasoittaa päiväntasaajan ja napojen välistä lämpötilaeroa. Pyörre vastaa kahvikuppiin lusikalla sekoittamisesta syntynyttä pyörrettä. Ilmakehässä pyörre voi syntyä joko ilmakehän alaosasta tai yläosasta mutta käytännössä tilanne maan pinnalla näyttää kuvan 2 kaltaiselta.

Lämpimän ilman kieleke eli lämmin sektori työntyy yleensä etelästä tai lounaasta kohti pohjoista (kuva 2c). Lämpimän ilmamassan rajaa sanotaan lämpimäksi rintamaksi. Matalan jälkipuolella kylmää ilmaa virtaa yleensä luoteesta tai pohjoisesta ja kylmän ilman rajapintaa kutsutaan kylmäksi rintamaksi. Kun kylmä rintama saavuttaa lämpimän rintaman, rintama okludoituu (kuva 2d, 2e). Okludoituminen alkaa matalapaineen keskuksesta ja lopulta kun koko kylmärintama on saavuttanut lämpimän rintaman, matalapaine on tehnyt työnsä. Se on sekoittanut kaksi eri ilmamassaa toisiinsa (kuva 2f). Tämän jälkeen pyörre (=matalapaine) vähitellen kuolee pois.

Tuulen vaihtelut matalapaineen ympärillä

Missä päin matalapainetta on siis yleensä voimakkaimmat tuulet? Kuvassa 3 on tuulen nopeutta kuvaavat tuulisymbolit.

Voimakkainta tuuli on yleensä lämpimän rintaman etupuolella (kuva 4 – 2) (myös ennen okluusiorintamaa tuuli voimistuu) tai kylmän rintaman takana (kuva 4 – 1). Ideaalitilanteessa tuuli on kaikkein voimakkainta kylmän rintaman takana (kuva 4 – 1). Niin sanotussa lämpimässä sektorissa tuuli on usein vähän heikompaa. Koska meille matalapaineet saapuvat yleensä jo kuolevaisina, on kylmän rintaman jälkeen painegradientti usein selvästi heikompi kuin ennen rintamaa. Tästä syystä ei tuuli meillä aina välttämättä ole kylmän rintaman jälkeen voimakkaampaa kuin lämpimässä sektorissa.

Ilmamassan lämpötilalla meriveteen nähden on myös paljon merkitystä. Seuraavassa esimerkki matalapaineesta, jossa on poikkeuksellisen voimakas rintamarakenne (kuva 5). Pisteessä Y ilman lämpötila on 10 astetta lämpimämpi kuin merivedenlämpötila ja puolestaan pisteessä X ilman lämpötila on 5 astetta kylmempi kuin merivesi. Vaikka painegradientti on molemmissa paikoissa lähes sama, on tuuli pisteessä X lähes kaksinkertainen verrattuna tuuleen pisteessä Y.

Meillä ilmamassaerot ovat harvoin näin voimakkaita. Varsinkin kesällä rintamarakenne on yli puolessa tapauksista niin heikko, ettei eri ilmamassoissa tuulen nopeudella ole kovin suurta eroa. Mutta useamman kerran vuodessa, yleensä alkukesästä hyvin lämpimän ilman virratessa kylmän meren päälle, tuuli yksinkertaisesti kohoaa ylemmäs ilmakehään. Tällöin jopa kaava 1 antaa liian voimakkaita tuulia. Erittäin kylmässä ilmamassassa tuuli on hyvin puuskaista eikä kaava 2 välttämättä anna riittävän voimakkaita tuulia. Käytännössä perusvirtauksen nopeus on kuitenkin 80-90 prosenttia tapauksista näiden kahden kaavan antamien arvojen välissä. Tämä kuitenkin edellyttää, että painekenttä on oikein ja näin ei ikävä kyllä aina tilanne ole.

Lisäksi on syytä muistaa, että kaava antaa arvion perusvirtauksesta, jossa ei ole mukana mitään paikallisia ilmiöitä. Erilaiset paikallisilmiöt onkin sitten aivan toinen ja lähes loputon juttu. Paikallisilmiöt voivat yksinäänkin saada aikaan slalom-kelejä. Mutta jos halutaan sekä tuulta että aaltoa, tarvitaan aina tiukkaa painegradienttia.

Tyypillisesti voisi sanoa, että saariston suojassa tai perusvirtauksen puhaltaessa maalta merelle päin kaava 1 antaa rannikolle liian voimakkaita tuulia. Samoin tilanteessa, jossa kylmän meren päälle virtaa hyvin lämmintä ilmaa. Tähän on kesällä syytä varautua Yyterissä varsinkin, jos länsituulella virtaa lämmintä ilmaa. Toisaalta lämpimän ilman virratessa kylmälle merelle kanavoituminen on hyvin voimakasta. Hangossa tämän voi huomata kun kaakonpuoleinen tuuli alkukesästä kääntyy idäksi ja samalla voimistuu paikallisilmiön ansiosta hyvinkin paljon. Tällaisessa tilanteessa kaava 2 ei anna riittävän voimakasta tuulta. Tämä ilmiö on tiettävästi Suomen paikallisilmiöistä kaikkein voimakkain. Perämerellä on vähän vastaavanlainen tilanne kun lännestä tai lounaasta virtaa lämmintä ilmaa, tuuli kanavoituu etelän ja lounaan välille ja voimistuu.

Säämallit ja luotettavuus

Ajatellaan vielä kahvikuppia. Kaadetaan siihen kermankokkare ja sekoitetaan lusikalla. Missä kermakokkare on 15 minuutin päässä, kuinka hyvin se on seonnut, kuinka ruskeaa kahvi on kupin eriosissa? Samantapaisesta asiasta on kyse seuraavan vuorokauden painekenttää ennustettaessa. Jos kermakokkare on pari mm väärässä paikassa tuuliennuste voi mennä aivan päin honkia. Ilmakehän ennustettavuus, eli kuinka pitkälle `kermakokkaretta´ kulloinkin pystytään laskemalla ennustamaan, vaihtelee hyvin paljon.

Joskus tuulta voidaan kohtuullisesti ennustaa 5 vuorokauttakin eteenpäin, toisinaan 1 vrk on liikaa. Jonkinlaisen arvion ilmakehän ennustettavuudesta saa kun vertailee eri malleja. Niin pitkälle kun eri mallien laskelmat antavat samankaltaisia painekenttiä, tuulta pystytään ennustamaan kohtuullisen hyvin. Jos kaikki mallit näyttävät erilaisilta jo seuraavalle päivälle, ennustettavuus on erittäin huonoa.

Eri mallit toimivat hieman eri tavoin. Fysikaalisiin ilmiöihin on tehty erilaisia parametrisointeja. Toisissa on parempi alueellinen tarkkuus ja toisissa on tähdätty mahdollisimman pitkään ennustettavuuteen. Katselemalla ja vertailemalla löytyy helposti se oma suosikki. Mutta todellisuudessa mikään malli ei ole selvästi muita parempi. Eroja kuitenkin on. Netin tarkimpia malleja edustaa Puolan Hirlam, siinä painekäyrät on piirretty 2 mb:n välein. Mallissa on hyvin edistyksellinen kitkakerros. Kitkakerros tarkoittaa ilmakehän alaosaa, johon maanpinnan kitka vaikuttaa. Se on ilmakehän vaikeimmin laskettavissa oleva osa. Puolan Hirlamin ongelma on kuitenkin samassa asiassa. Rajakerros saa helposti aikaan asioita, joita ei välttämättä synny ollenkaan tai se liioittelee niitä. Silloin tällöin malli kuljettaa matalapaineen keskukset selvästi väärään paikkaan jo seuraavan vuorokauden puolella. Eikä mallia lasketa kuin 48 tuntia eteenpäin. Mutta mallista saa arvoja 6 tunnin välein.

Amerikan armeijalla on omia karttoja, jotka myös on laskettu 2 mb:n välein ja ennusteen saa lähes mihin tahansa maapalloa. Malleja on kolme erilaista: AVN, NOGAPS ja MRF . Näistä malleista saa paljon erilaisia meteorologisesti mielenkiintoisia suureita. Ennusteen pituus on Mrf:ssä 9vrk , Nogapsissa 6 vrk ja Avnssa 3 vrk.

Maailmanlaajuisissa mallien vertailuissa parhaitten on pärjännyt malli nimeltä ECMWF. Se on kuitenkin malleista yksi kaikkein suurpiirteisimmistä. Se on melko stabiili malli eikä syvennä matalapaineita keskimäärin niin rajusti kuin muut. Painekäyrät on netissä piirretty vain 5 mb:n välein. Malleja kuitenkin kehitellään kaiken aikaa ja pienetkin muutokset voivat muuttaa mallin reagointia huomattavasti. Muutoksista ei yleensä mainita. Netissä on myös paljon muita malleja joihin voi halujensa mukaan tutustua.

Lisää sään ennustamisesta voit lukea esimerkiksi Wikipediasta:

http://fi.wikipedia.org/wiki/Sään_ennustaminen

Hyväksi todettuja ennusteita

Amerikan sotapoikien NOGAPS:

https://www.fnmoc.navy.mil/wxmap_cgi/index.html?tab=global 

Unisys – ECMWF – Europe – Pitkä ennuste:

http://weather.unisys.com/ecmwf/ecmwf.php?inv=0&plot=4p&region=e

Unisys – GFSx – 9 days – Pitkä ennuste:

http://weather.unisys.com/gfsx/gfsx.php?inv=0&plot=hght&region=eu&t=9p

Forecan merisää-ennusteet. Esittely 2012 uudistuneesta palvelusta: http://blogi.foreca.fi/2012/05/veneilysaa-on-uudistunut/

http://foreca.fi/Finland/Helsinki/veneilysaa/tuuliennuste/itameri

FMI:n merisää:

http://ilmatieteenlaitos.fi/merisaa-ja-itameri

Lähteet

Tekstin on kirjoittanut lentävä säämies aka. Petri Takala joskus 2000-luvun taitteessa. Alunperin artikkelia hostattiin album.gg -sivustolla. Sisältö on kaivettu takaisin vuonna 2012 archive.org -palvelusta:

http://web.archive.org/web/20030618042029/http://www.album.gg/weather/takala.html

Petri Takalan kirjoituksia säästä voit lukea Forecan blogista: http://blogi.foreca.fi/petri-takala/

Kuvat: album.gg (Mikko Harma?) sekä Tarmo Laine http://www.tlkite.fi